CN104913756A - 双导轨直线与平行度测量装置及其测量方法 - Google Patents

双导轨直线与平行度测量装置及其测量方法 Download PDF

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CN104913756A CN201410389297.5A CN201410389297A CN104913756A CN 104913756 A CN104913756 A CN 104913756A CN 201410389297 A CN201410389297 A CN 201410389297A CN 104913756 A CN104913756 A CN 104913756A
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李源
毕磊
陈欣
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Ming Tai Shineford Precision Instrument Technology (suzhou) Co Ltd
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Ming Tai Shineford Precision Instrument Technology (suzhou) Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种双导轨直线与平行度测量装置，包括测量导轨表面位移变化的位移传感器组、用于固定所述位移传感器组的移传感器安装台和与所述位移传感器组连接并实时采集存储所述位移传感器组的测量值的数据采集系统。所述位移传感器安装台沿导轨滑动时、所述位移传感器组扫描测量导轨的位移变化量，所述数据采集系统实时采集存储所述移传感器组测量的数据值。本发明提供的测量装置能同时测量双导轨的位移变化量，对工业现场的抗干扰性较好，可以满足在位导轨的测量需求，无需另外安装专门的扫描导轨、对被测导轨的长度无限制。本发明提供的测量方法能根据所述测量装置采集的数据值，运用本发明的算法计算得出高精度的被测导轨直线度和平行度。

Description

双导轨直线与平行度测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及长度及角度的测量领域，具体涉及一种双导轨直线与平行度测量装置及其测量方法。
背景技术
导轨在工业设备中被广泛应用，是工业设备中的一个十分重要的部件，设备的工作精度与导轨精度有直接的联系。如机床、测量机等各种的工作机械装置都具有至少一维运动平台，而运动平台一般都设置有起到导向作用的平行双导轨；为了精确评价这些导轨在安装到运动平台上后的直线度及导轨间的平行度，需要有一种在位测量装置可以方便地对2根导轨同时进行测量。
现有技术中的导轨直线度测量方法主要为激光干涉仪法，其测量精度高、技术成熟，但是对测量环境要求较高、不适用于在工业现场进行测量。此外，该方法不能对2根导轨同时进行测量。中国发明专利申请CN200810051009公开了一种动态测量导轨直线度的方法，其利用自准直仪与CCD接收器，使安装在导轨上的可滑动的平面反射镜来反射自准直仪中射出的平行光到光管目镜的视场，并用接收器CCD判断平面反射镜反射回来的十字线相对位移量的变化，以实现对导轨直线度测量。这一方法原理上虽然与上述激光干涉法不同，但其装置的设置、实施的步骤与激光干涉法类似，故应用时会出现同样的问题，也同样不能对2根导轨同时进行测量。中国发明专利申请CN200810051009公开了一种利用激光跟踪仪对导轨直线度进行测量的方法；激光跟踪仪相较于激光干涉仪能够对更长的被测对象进行测量，但归根结底激光跟踪仪还是利用光的原理进行测量，其还是会对测量长度有限制，并且同样不能对2根导轨同时进行测量。
发明内容
本发明需要解决的现有技术的问题是：现有技术不能对已安装到位的导轨的直线度进行精确的测量，并且不能对双导轨的平行度进行测量。
具体来说，本发明提出了如下技术方案。
本发明提供一种双导轨直线与平行度测量装置，包括测量导轨表面位移变化的位移传感器组(101)，位移传感器安装台(102)，和实时采集存储所述位移传感器组(101)的测量值的数据采集系统(104)。所述位移传感器组(101)安装在所述位移传感器安装台(102)上，所述位移传感器组(101)连接所述数据采集系统(104)；所述位移传感器安装台(102)沿导轨滑动时所述位移传感器组(101)扫描测量导轨的位移变化量，所述数据采集系统(104)实时采集所述移传感器组(101)测量的数据值并存储所述数据值。
优选的是，所述位移传感器组(101)包括至少三个位移传感器，所述位移传感器按等间隔排列安装在所述位移传感器安装台(102)两侧，两侧的位移传感器为背向对齐设置；所述位移传感器安装台(102)一侧的所述位移传感器测量第一导轨(106)，所述位移传感器安装台(102)另一侧的所述位移传感器测量第二导轨(107)。
优选的是，包括沿导轨滑动的扫描滑动平台(103)，所述位移传感器安装台(102)安装在所述扫描滑动平台(103)上，所述位移传感器组(101)被所述扫描滑动平台(103)控制沿导轨滑动。
优选的是，所述双导轨直线与平行度测量装置还包括沿导轨滑动的扫描滑动平台(103)，所述位移传感器安装台(102)安装在所述扫描滑动平台(103)上，所述位移传感器组(101)被所述扫描滑动平台(103)控制沿导轨滑动。
优选的是，所述双导轨直线与平行度测量装置还包括控制所述数据采集系统(104)工作状态的光电触发开关(105)，所述光电触发开关(105)安装在扫描滑动平台(103)上、与所述数据采集系统(104)连接；所述导轨上设置有多个触发点，所述光电触发开关(105)经过所述触发点时控制改变所述数据采集系统(104)的工作状态。
优选的是，所述位移传感器是可对导轨表面进行无损测量的非接触式传感器。
优选的是，所述数据采集系统(104)包括存储卡，并将采集到的所述数据值保存在所述存储卡内。
本发明提供还一种双导轨直线与平行度测量方法，包括如下步骤：
(1)安装在位移传感器安装台(102)上的位移传感器组(101)被扫描滑动平台(103)控制沿着导轨滑动、同时实时测量所述导轨表面的位移变化量，所述位移传感器组(101)采集到的所述位移变化量的数据值保存在所述数据采集系统(104)中；所述位移传感器组(101)从导轨的首端滑动到末端为一次扫描；
(2)一次扫描结束后，将所述位移传感器组(101)旋转180度，将所述其中背向设置的所述位移传感器相对于导轨的位置互换；
(3)所述位移传感器组(101)被所述扫描滑动平台(103)控制沿着导轨从导轨的末端滑动到首端、进行第二次扫描，所述位移传感器组(101)采集到的第二次扫描时位移变化量的数据值也保存在所述数据采集系统(104)中；
(4)通过将所述位移传感器的测头等间隔并行排列，运用三点法误差分离技术将所述扫描滑动平台沿被测导轨移动时的运动误差消除。通过将所述位移传感器组旋转180度后再次扫描同一导轨的方法，根据一根导轨由两侧位移传感器测量出的两组位移变化量的数据值与调零误差函数关系，计算消除所述位移传感器之间的调零误差，从而得到导轨的直线度；并通过所述位移传感器背向设置的结构，根据双导轨各自直线度的最小二乘参考线之间的夹角即平行度的函数关系，运用本发明的抵消法计算出双导轨之间的平行度。
优选的是，光电触发开关(105)第一次经过导轨上设置的所述触发点时，控制数据采集系统(104)开始采集存储位移传感器测量的数据值，光电触发开关(105)第二次经过导轨上设置的所述触发点时，控制数据采集系统(104)停止采集存储位移传感器测量的数据值。
优选的是，所述扫描滑动平台(103)从导轨的一端向另一端匀速运动，所述位移传感器连续扫描测量导轨表面的位移变化量。
本发明的双导轨直线与平行度测量装置中，所述位移传感器组中的多个位移传感器背向对其分别设置在所述位移传感器安装台两侧，所述位移传感器组与位移传感器安装台作为一个整体被安装在扫描滑动平台上，用于测量所述扫描滑动平台两边的导轨。当一次扫描结束后，只需将位移传感器安装台旋转180度即可将所述位移传感器组中的所有位移传感器相对于导轨的位置互换，并快速进入到进行第二次扫描、完成不同侧所述位移传感器对同一导轨的测量。
本发明的双导轨直线与平行度测量装置中，所述扫描滑动平台可沿着导轨方向滑动，故无需将所述测量装置设置在专门的扫描导轨上，也对被测导轨的长度没有限制，既提高了所述测量装置的易用性又扩展了其测量范围。所述数据采集系统也被安装在扫描滑动平台上，与传感器安装台连接并一起滑动、实时采集存储所述位移传感器组测量的数据值。由于所述扫描滑动平台与导轨的配合形式可以有不同形式，不属于本发明的范畴，此处不再赘述。
本发明的双导轨直线与平行度测量装置中，所述光电触发开关第一次经过导轨上设置的触发点时，即控制所述数据采集系统开始采集存储所述位移传感器测量的数据值；所述光电触发开关第二次被测导轨上设置触发点时，即控制所述数据采集系统停止采集存储所述位移传感器的测量的数据值。所述测量装置在工作时能够不需要手动操作采集导轨的直线度和平行度数据，实现了测量的自动化。
本发明还提供了一种双导轨直线度与平行度的测量方法。所述扫描滑动平台沿着导轨从首端滑动到末端；在滑动过程中，安装在所述扫描滑动平台上的位移传感器组在实时地检测导轨表面的位移变化量。一次扫描结束后，将位移传感器安装台旋转180度开始第二次扫描，所述扫描滑动平台沿着导轨从导轨末端滑动到首端；两次扫描过程中所有位移传感器采集到的数据值都被数据采集器采集存储。第二次扫描结束后，取出所述数据采集系统的存储卡，在将所述存储卡中的数据进行计算处理，得到导轨的直线度和平行度。在本发明实施地测量过程中，所述扫描滑动平台沿着导轨滑动会产生运动误差，一般来说此运动误差的大小与导轨的直线度大小为一个数量级、甚至更大，因此为了提供测量精度，必须消除该运动误差。本发明的测量方法通过将所述位移传感器的测头等间隔并行排列，运用三点法误差分离技术将所述扫描滑动平台沿被测导轨移动时的运动误差消除。由于采取了多个测头并行排列的结构，所以多个位移传感器之间的调零误差也必须予以消除。本发明通过将所述位移传感器组旋转180度后再次扫描同一导轨的方法，根据一根导轨由两侧位移传感器测量出的两组位移变化量的数据值，运用本发明的算法计算消除位移传感器之间的调零误差，从而得到高精度的导轨直线度。并且通过所述位移传感器背向设置的结构，运用本发明的抵消法计算出双导轨之间的平行度。
设安装在所述位移传感器安装台(102)同侧的所述位移传感器间，相邻的所述位移传感器的探头之间的间隔是D、一侧的位移传感器扫描测量第一导轨f(106)、另一侧的位移传感器扫描测量第二导轨g(107)、所述导轨的长度测量坐标方位为x；X1-Xn是导轨上每个离散的测量点所对应的测量坐标、(xn)表示所述扫描滑动平台位于xn位置，f(xn)为扫描滑动平台位于xn位置时所述位移传感器组中的位移传感器的测头所指向的被测导轨测量点的直线度值。测量过程中扫描滑动平台(103)相对于导轨长度测量坐标方位的垂直方向的平移误差长度为Sy、倾角误差角度为Sp，一侧的每个所述位移传感器的测量值分别为m1、m2、m3、m4……mn、调零误差为w1、w2、w3、w4、……wn，另一侧的每个所述位移传感器的测量值分别为M1、M2、M3、M4……Mn、调零误差为W1、W2、W3、W4、……Wn。所述位移传感器安装台(102)两侧位置相对的所述位移传感器均为背向设置，计算公式如下：
m1(xn)＝f(xn)+Sy(xn)+w1,n＝[1,N]   (1)
m2(xn)＝f(xn+D)+Sy(xn)-D·Sp(xn)+w2,n＝[1,N]   (2)
m3(xn)＝f(xn+2D)+Sy(xn)-2D·Sp(xn)+w3,n＝[1,N]   (3)
……   (m)
M1(xn)＝f(xn)-Sy(xn)+W1,n＝[1,N]   (m+1)
M2＝(xn)＝g(xn+D)-Sy(xn)+D·Sp(xn)+W2,n＝[1,N]   (m+2)
……   (n)
当第1次扫描结束将所述位移传感器安装台(102)水平翻转180度后再次沿导轨滑动测量时，所述扫描滑动平台(103)向相对于导轨长度测量坐标方位的垂直方向的平移误差长度为Syr、倾角误差角度为Spr，一侧的每个所述位移传感器的测量值分别为m1r,m2r,m3r……mnr、另一侧的每个所述位移传感器的测量值分别为M1r、M2r、M3r、M4r……Mnr；计算公式如下：
m1r(xn)＝g(xn)-Syr(xn)+w1,n＝[1,N]   (n+1)
m2r(xn)＝g(xn+D)-Syr(xn)+D·Spr(xn)+w2,n＝[1,N]   (n+2)
m3r(xn)＝g(xn+2D)-Syr(xn)+2D·Spr(xn)+w3,n＝[1,N]   (n+3)
……   (n+m)
M1r(xn)＝f(xn+D)+Syr(xn)+W1,n＝[1,N]   (n+m+1)
M2r(xn)＝f(xn+D)+Syr(xn)-D·Spr(xn)+W2,n＝[1,N]   (n+m+2)
……   (n+n)
由式(1)-(m)可得：
f ( x n + D ) = s 2 D 2 Σ i = 1 n Σ j = 1 i [ m s ( x j ) ] - n ( n + 1 ) s 2 2 D 2 w , n = [ 1 , N ]    (M)
其中，w＝wn-2-2wn-1+wn，ms＝mn(xn)-2m(n-1)(xn)+m(n-2)(xn)
由式(n+1)(n+m)可得：
g ( x n + D ) = s 2 D 2 Σ i = 1 n Σ j = 1 i [ m sr ( x j ) ] - n ( n + 1 ) s 2 2 D 2 w , n = [ 1 , N ]    式(N)
其中，msr＝mnr(xn)-2m(n-1)r(xn)+m(n-2)r(xn)
由式(M)-式(N)可得：
f ( x n + D ) - g ( x n + D ) = s 2 D 2 Σ i = 1 n Σ j = 1 i [ m s ( x j ) - m sr ( x j ) ] , n = [ 1 , N ]    式(M+1)
由式(2,m+1,n+1,n+m+1)可得：
f ( x n + D ) + g ( x n + D ) = 1 2 [ ( m 2 ( x 2 ) + M 2 ( x n ) ) + ( m 2 r ( x n ) + M 2 r ( x n ) ) ] , n = [ 1 , N ]
                          式(N+1)
联立式(M+1)和式(N+1)即可求得导轨f(106)和导轨g(107)的直线度；
利用背向设置的2个位移传感器的距离不变特性，设中间变量y的计算公式如下：
y ( x n ) = f ( x n + D ) + g ( x n + D ) - 1 2 [ ( m 2 ( x 2 ) + M 2 ( x n ) ) + ( m 2 r ( x n ) + M 2 r ( x n ) ) ] , n = [ 1 , N ]
                          式(M+2)
导轨f(106)和导轨g(107)各自直线度的最小二乘参考线之间的夹角即平行度，可由以下计算公式求得：
b ls = N Σ n = 1 N x n y ( x n ) - Σ n = 1 N x n Σ n = 1 N y ( x n ) N Σ n = 1 N x n 2 - ( Σ n = 1 N x n ) 2    式(N+2)
本发明提供的测量装置能够同时测量双导轨的位移变化量；且对工业现场的抗干扰性较好，可以满足在位导轨的测量需求；更无需另外安装专门的扫描导轨、对被测导轨的长度无限制。本发明提供的测量方法能根据所述测量装置采集的数据值并运用本发明的算法计算得出高精度的被测导轨直线度和平行度。
下面结合附图和各个具体实施方式，对本发明及其有益技术效果进行详细说明，其中：
附图说明
图1是实施例1第一次扫描的结构示意图；
图2是实施例1第二次扫描的结构示意图；
图3是实施例1的测量步骤的流程图。
图中，101.位移传感器组、102.位移传感器安装台、103.扫描滑动平台、104.数据采集系统、105.光电触发开关、106.第一导轨f、107.第二导轨g。
具体实施方式
如上所述，本发明的目的在于：能够同时测量并计算出高精度的双导轨的直线度和平行度。
实施例1
参照图1-2所示，本发明提供的第一种双导轨直线与平行度测量装置测量导轨表面位移变化的位移传感器组101、位移传感器安装台102、实时采集存储所述位移传感器组101的测量值的数据采集系统104和控制所述数据采集系统104工作状态的光电触发开关105。所述数据采集系统104包括存储卡。所述位移传感器组101和光电触发开关105均与所述连接所述数据采集系统104相连，所述位移传感器组101安装在位移传感器安装台102上，所述位移传感器安装台102、所述数据采集系统104和所述光电触发开关105均安装在所述扫描滑动平台103上。所述位移传感器组与位移传感器安装台作为一个整体被安装在扫描滑动平台上，所述位移传感器组101被所述扫描滑动平台103控制沿导轨滑动测量；所述数据采集系统与传感器安装台一起被控制滑动、同时在测量过程中实时采集4个位移传感器的测量值并保存在存储卡中。所述位移传感器101包括4个位移传感器，其中3个所述位移传感器按等间隔排列安装在所述位移传感器安装台102的一侧，用以测量导轨f106；第4个所述位移传感器与第2个所述位移传感器背向对齐设置，安装在所述位移传感器安装台102的另一侧，用以测量导轨g107。所述位移传感器为非接触式的激光三角位移传感器，该位移传感器采样速率快，测量距离可达数十毫米以上，可对导轨表面进行快速、无损扫描测量。
参照图1-3所示，利用实施例1的双导轨直线度与平行度的测量方法测量计算导轨的平行度和直线度时，先将扫描滑动平台103移动到被测导轨的最左端(首端)，驱动所述扫描滑动平台103沿轨道向右匀速运动开始第一次扫描，使其上安装的所述4个位移传感器连续扫描导轨表面的位移变化量。所述光电触发开关105经过导轨上设置的第1触发点时，控制所述数据采集系统104开始采集存储所述位移传感器测量的数据值；光电触发开关105经过导轨上设置的第2触发点时，控制所述数据采集系统停止采集存储所述位移传感器的测量值；扫描滑动平台103在导轨最左端(末端)停止运动后，将所述位移传感器安装台水平翻转180度，使分设在所述位移传感器安装台102两侧的背向设置的所述位移传感器的位置互换，均相对另一侧的导轨。驱动所述扫描滑动平台103向左匀速运动开始第二次扫描，使所述位移传感器连续扫描与之前相对一侧的导轨表面的位移变化量。第二次扫描过程以第一次扫描过程相同。两次扫描完成后，将数据采集系统104中存储的两次的数据值进行计算处理，得到双导轨的直线度与平行度。
安装在所述位移传感器安装台102同侧的所述位移传感器间，相邻的所述位移传感器的探头之间的间隔是D、一侧的3个所述位移传感器扫描测量第一导轨f106、另一侧的位移传感器扫描测量第二导轨g107、所述导轨的长度测量坐标方位为x，X1-Xn是所述第一导轨f106和所述第二导轨g107上每个离散的测量点所对应的测量坐标，例如，X1为测量点1的坐标值、X2为测量点2的坐标值、以此类推，X100为测量点100的坐标值。假设所述测量点间的间隔为1mm，则X1＝0、X2＝2、……X100＝99mm。测量过程中扫描滑动平台103向相对于导轨长度测量坐标方位的垂直方向的平移误差为Sy、倾角误差为Sp；对于同一测量点，每次扫描时的sy(xn)和sp(xn)的值都是变化的，但是通过同侧所述位移传感器的测量值的差分计算(m1+m3-2m2),变量sy(xn)和sp(xn)可以被消去。4个所述位移传感器的测量值分别为m1、m2、m3和M2，调零误差为w1、w2、w3和W2；(xn)表示所述扫描滑动平台位于xn位置，m1(xn)、m2(xn)、m3(xn)、m3(xn)分别表示当扫描滑动平台位于xn位置时的4个所述位移传感器上的示值。f(xn)为所求的扫描滑动平台位于xn位置时所述位移传感器组中的位移传感器的测头所指向的被测导轨测量点的直线度值。计算公式如下：
m1(xn)＝f(xn)+Sy(xn)+w1,n＝[1,N]   (1)
m2(xn)＝f(xn+D)+Sy(xn)-D·Sp(xn)+w2,n＝[1,N]   (2)
m3(xn)＝f(xn+2D)+Sy(xn)-2D·Sp(xn)+w3,n＝[1,N]   (3)
M2＝(xn)＝g(xn+D)-Sy(xn)+D·Sp(xn)+W2,n＝[1,N]   (4)
当第1次扫描结束将所述位移传感器安装台(102)水平翻转180度后再次沿导轨滑动测量时，所述扫描滑动平台(103)相对于导轨长度测量坐标方位的垂直方向的平移误差为Syr、倾角误差为Spr，4个所述位移传感器的测量值分别为m1r,m2r,m3r和M2r。计算公式如下：
m1r(xn)＝g(xn)-Syr(xn)+w1,n＝[1,N]   (5)
m2r(xn)＝g(xn+D)-Syr(xn)+D·Spr(xn)+w2,n＝[1,N]   (6)
m3r(xn)＝g(xn+2D)-Syr(xn)+2D·Spr(xn)+w3,n＝[1,N]   (7)
M2r(xn)＝f(xn+D)+Syr(xn)-D·Spr(xn)+W2,n＝[1,N]   (8)
由式(1)-(4)可得：
f ( x n + D ) = s 2 D 2 Σ i = 1 n Σ j = 1 i [ m s ( x j ) ] - n ( n + 1 ) s 2 2 D 2 w , n = [ 1 , N ] - - - ( 9 )
其中，w＝w1-2w2+w3，ms(xn)＝m3(xn)-2m2(xn)+m1(xn)
由式(5)-(7)可得：
g ( x n + D ) = s 2 D 2 Σ i = 1 n Σ j = 1 i [ m sr ( x j ) ] - n ( n + 1 ) s 2 2 D 2 w , n = [ 1 , N ] - - - ( 10 )
其中，msr(xn)＝m3r(xn)-2m2r(xn)+m1r(xn)
由式(9)-式(10)可得：
f ( x n + D ) - g ( x n + D ) = s 2 D 2 Σ i = 1 n Σ j = 1 i [ m s ( x j ) - m sr ( x j ) ] , n = [ 1 , N ] - - - ( 11 )
由式(2,4,6,8)可得：
f ( x n + D ) + g ( x n + D ) = 1 2 [ ( m 2 ( x 2 ) + M 2 ( x n ) ) + ( m 2 r ( x n ) + M 2 r ( x n ) ) ] , n = [ 1 , N ] - - - ( 12 )
联立式(M+1)和式(N+1)即可求得导轨f106和导轨g107的直线度；
利用背向设置的2个位移传感器的距离不变特性，设中间变量y的计算公式如下：
y ( x n ) = f ( x n + D ) + g ( x n + D ) - 1 2 [ ( m 2 ( x 2 ) + M 2 ( x n ) ) + ( m 2 r ( x n ) + M 2 r ( x n ) ) ] , n = [ 1 , N ] - - - ( 13 )
导轨f106和导轨g107各自直线度的最小二乘参考线之间的夹角即平行度，可由以下计算公式求得：
b ls = N Σ n = 1 N x n y ( x n ) - Σ n = 1 N x n Σ n = 1 N y ( x n ) N Σ n = 1 N x n 2 - ( Σ n = 1 N x n ) 2 - - - ( 14 )
实施例2
本发明提供的第二种双导轨直线与平行度测量装置包括测量导轨表面位移变化的位移传感器组101、位移传感器安装台102和实时采集存储所述位移传感器组101的测量值的数据采集系统104控制所述数据采集系统。所述数据采集系统104包括存储卡。所述位移传感器组101与所述连接所述数据采集系统104相连，所述位移传感器组101安装在位移传感器安装台102上，所述位移传感器安装台102和所述数据采集系统104均安装在所述扫描滑动平台103上。所述位移传感器组与位移传感器安装台作为一个整体被安装在扫描滑动平台上，所述位移传感器组101被所述扫描滑动平台103控制沿导轨滑动测量；所述数据采集系统与传感器安装台一起被控制滑动、同时在测量过程中实时采集4个位移传感器的测量值并保存在存储卡中。所述位移传感器101包括4个位移传感器，其中3个所述位移传感器按等间隔排列安装在所述位移传感器安装台102的一侧，用以测量导轨f106；第4个所述位移传感器与第2个所述位移传感器背向对齐设置，安装在所述位移传感器安装台102的另一侧，用以测量导轨g107。所述位移传感器为激光位移传感器。
利用实施例2的双导轨直线度与平行度的测量方法测量计算导轨的平行度和直线度时，先将扫描滑动平台103移动到被测导轨的最左端(首端)，驱动所述扫描滑动平台103沿轨道向右匀速运动开始第一次扫描，使其上安装的所述4个位移传感器连续扫描导轨表面的位移变化量，并启动所述数据采集系统104、开始采集存储所述位移传感器测量的数据值；扫描滑动平台103到达导轨最左端(末端)，关闭所述数据采集系统、停止采集存储所述位移传感器的测量值。停止运动后将所述位移传感器安装台水平翻转180度，使分设在所述位移传感器安装台102两侧的背向设置的所述位移传感器的位置互换，均相对另一侧的导轨。驱动所述扫描滑动平台103向左匀速运动开始第二次扫描，使所述位移传感器连续扫描与之前相对一侧的导轨表面的位移变化量。第二次扫描过程以第一次扫描过程相同。两次扫描完成后，将数据采集系统104中存储的两次的数据值进行计算处理，得到双导轨的直线度与平行度。
安装在所述位移传感器安装台102同侧的所述位移传感器间，相邻的所述位移传感器的探头之间的间隔是D、一侧的3个所述位移传感器扫描测量第一导轨f106、另一侧的位移传感器扫描测量第二导轨g107、所述导轨的长度测量坐标方位为x，X1-Xn是所述第一导轨f106和所述第二导轨g107上每个离散的测量点所对应的测量坐标，例如，X1为测量点1的坐标值、X2为测量点2的坐标值、以此类推，X100为测量点100的坐标值。假设所述测量点间的间隔为1mm，则X1＝0、X2＝2、……X100＝99mm。测量过程中扫描滑动平台103向相对于导轨长度测量坐标方位的垂直方向的平移误差为Sy、倾角误差为Sp；对于同一测量点，每次扫描时的sy(xn)和sp(xn)的值都是变化的，但是通过同侧所述位移传感器的测量值的差分计算(m1+m3-2m2),变量sy(xn)和sp(xn)可以被消去。4个所述位移传感器的测量值分别为m1、m2、m3和M2，调零误差为w1、w2、w3和W2；(xn)表示所述扫描滑动平台位于xn位置，m1(xn)、m2(xn)、m3(xn)、m3(xn)分别表示当扫描滑动平台位于xn位置时的4个所述位移传感器上的示值。f(xn)为所求的扫描滑动平台位于xn位置时所述位移传感器组中的位移传感器的测头所指向的被测导轨测量点的直线度值。计算公式如下：
m1(xn)＝f(xn)+Sy(xn)+w1,n＝[1,N]   (1)
m2(xn)＝f(xn+D)+Sy(xn)-D·Sp(xn)+w2,n＝[1,N]   (2)
m3(xn)＝f(xn+2D)+Sy(xn)-2D·Sp(xn)+w3,n＝[1,N]   (3)
M2＝(xn)＝g(xn+D)-Sy(xn)+D·Sp(xn)+W2,n＝[1,N]  (4)
当第1次扫描结束将所述位移传感器安装台102水平翻转180度后再次沿导轨滑动测量时，所述扫描滑动平台103相对于导轨长度测量坐标方位的垂直方向的平移误差为Syr、倾角误差为Spr，4个所述位移传感器的测量值分别为m1r,m2r,m3r和M2r。计算公式如下：
m1r(xn)＝g(xn)-Syr(xn)+w1,n＝[1,N]   (5)
m2r(xn)＝g(xn+D)-Syr(xn)+D·Spr(xn)+w2,n＝[1,N]   (6)
m3r(xn)＝g(xn+2D)-Syr(xn)+2D·Spr(xn)+w3,n＝[1,N]   (7)
M2r(xn)＝f(xn+D)+Syr(xn)-D·Spr(xn)+W2,n＝[1,N]   (8)
由式(1)-(4)可得：
f ( x n + D ) = s 2 D 2 Σ i = 1 n Σ j = 1 i [ m s ( x j ) ] - n ( n + 1 ) s 2 2 D 2 w , n = [ 1 , N ] - - - ( 9 )
其中，w＝w1-2w2+w3，ms(xn)＝m3(xn)-2m2(xn)+m1(xn)
由式(5)-(7)可得：
g ( x n + D ) = s 2 D 2 Σ i = 1 n Σ j = 1 i [ m sr ( x j ) ] - n ( n + 1 ) s 2 2 D 2 w , n = [ 1 , N ] - - - ( 10 )
其中，msr(xn)＝m3r(xn)-2m2r(xn)+m1r(xn)
由式(9)-式(10)可得：
f ( x n + D ) - g ( x n + D ) = s 2 D 2 Σ i = 1 n Σ j = 1 i [ m s ( x j ) - m sr ( x j ) ] , n = [ 1 , N ] - - - ( 11 )
由式(2,4,6,8)可得：
f ( x n + D ) + g ( x n + D ) = 1 2 [ ( m 2 ( x 2 ) + M 2 ( x n ) ) + ( m 2 r ( x n ) + M 2 r ( x n ) ) ] , n = [ 1 , N ] - - - ( 12 )
联立式(M+1)和式(N+1)即可求得导轨f106和导轨g107的直线度；
利用背向设置的2个位移传感器的距离不变特性，设中间变量y的计算公式如下：
y ( x n ) = f ( x n + D ) + g ( x n + D ) - 1 2 [ ( m 2 ( x 2 ) + M 2 ( x n ) ) + ( m 2 r ( x n ) + M 2 r ( x n ) ) ] , n = [ 1 , N ] - - - ( 13 )
导轨f106和导轨g107各自直线度的最小二乘参考线之间的夹角即平行度，可由以下计算公式求得：
b ls = N Σ n = 1 N x n y ( x n ) - Σ n = 1 N x n Σ n = 1 N y ( x n ) N Σ n = 1 N x n 2 - ( Σ n = 1 N x n ) 2 - - - ( 14 )
利用实施例2的双导轨直线与平行度测量装置及其测量方法对导轨进行直线度和平行度测量计算时，除不能自动控制所述数据采集系统104的工作状态外，其功能、操作与实施例1相同。

Claims (9)

1.一种双导轨直线与平行度测量装置，其特征在于，包括
测量导轨表面位移变化的位移传感器组(101)，
位移传感器安装台(102)，和
实时采集存储所述位移传感器组(101)的测量值的数据采集系统(104)；
所述位移传感器组(101)安装在所述位移传感器安装台(102)上，所述位移传感器组(101)连接所述数据采集系统(104)；所述位移传感器安装台(102)沿导轨滑动时所述位移传感器组(101)扫描测量导轨的位移变化量，所述数据采集系统(104)实时采集所述移传感器组(101)测量的数据值并存储所述数据值。
2.根据权利要求1所述的双导轨直线与平行度测量装置，其特征在于，所述位移传感器组(101)包括至少三个位移传感器，所述位移传感器按等间隔排列安装在所述位移传感器安装台(102)两侧，两侧的位移传感器为背向对齐设置；所述位移传感器安装台(102)一侧的所述位移传感器测量第一导轨(106)，所述位移传感器安装台(102)另一侧的所述位移传感器测量第二导轨(107)。
3.根据权利要求1或2所述的双导轨直线与平行度测量装置，其特征在于，包括沿导轨滑动的扫描滑动平台(103)，所述位移传感器安装台(102)安装在所述扫描滑动平台(103)上，所述位移传感器组(101)被所述扫描滑动平台(103)控制沿导轨滑动。
4.根据权利要求1-3所述的双导轨直线与平行度测量装置，其特征在于，包括控制所述数据采集系统(104)工作状态的光电触发开关(105)，所述光电触发开关(105)安装在扫描滑动平台(103)上、与所述数据采集系统(104)连接；所述导轨上设置有多个触发点，所述光电触发开关(105)经过所述触发点时控制改变所述数据采集系统(104)的工作状态。
5.根据权利要求1-4所述的双导轨直线与平行度测量装置，其特征在于，所述位移传感器是可对导轨表面进行无损测量的非接触式传感器。
6.根据权利要求1-5所述的双导轨直线与平行度测量装置，其特征在于，所述数据采集系统(104)包括存储卡，并将采集到的所述数据值保存在所述存储卡内。
7.一种双导轨直线与平行度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)安装在位移传感器安装台(102)上的位移传感器组(101)被扫描滑动平台(103)控制沿着导轨滑动、同时实时测量所述导轨表面的位移变化量，所述位移传感器组(101)采集到的所述位移变化量的数据值保存在所述数据采集系统(104)中；所述位移传感器组(101)从导轨的首端滑动到末端为一次扫描；
(2)一次扫描结束后，将所述位移传感器组(101)旋转180度，将所述其中背向设置的所述位移传感器相对于导轨的位置互换；
(3)所述位移传感器组(101)被所述扫描滑动平台(103)控制沿着导轨从导轨的末端滑动到首端、进行第二次扫描，所述位移传感器组(101)采集到的第二次扫描时位移变化量的数据值也保存在所述数据采集系统(104)中；
(4)通过将所述位移传感器的测头等间隔并行排列，运用三点法误差分离技术将所述扫描滑动平台沿被测导轨移动时的运动误差消除。通过将所述位移传感器组旋转180度后再次扫描同一导轨的方法，根据一根导轨由两侧位移传感器测量出的两组位移变化量的数据值与调零误差函数关系，计算消除所述位移传感器之间的调零误差，从而得到导轨的直线度；并通过所述位移传感器背向设置的结构，根据双导轨各自直线度的最小二乘参考线之间的夹角即平行度的函数关系，运用本发明的抵消法计算出双导轨之间的平行度。
8.根据权利要求7所述的双导轨直线与平行度测量方法，其特征在于，光电触发开关(105)第一次经过导轨上设置的所述触发点时，控制数据采集系统(104)开始采集存储位移传感器测量的数据值，光电触发开关(105)第二次经过导轨上设置的所述触发点时，控制数据采集系统(104)停止采集存储位移传感器测量的数据值。
9.根据权利要求7或8所述的双导轨直线与平行度测量方法，其特征在于，所述扫描滑动平台(103)从导轨的一端向另一端匀速运动，所述位移传感器连续扫描测量导轨表面的位移变化量。
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